CN108964494A - 一种自均压五电平电压源型变换装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自均压五电平电压源型变换装置，包括由三个结构相同的功率模块及三个相同的电容器组成一个桥臂；所述的功率模块分为功率模块M1、功率模块M2和功率模块M3，并且每个功率模块均有五个电气连接点；所述的电容器分为电容器C1，电容器C2及电容器C3；同时还公开了一种自均压五电平电压源型变换控制方法；本发明有结构简单的特点，相比于H桥级联型五电平变换装置本发明无需多个独立的直流源，同时电路中不存在开关管的直接串联，没有较多的冗余开关状态，控制更为简单，实用性更强，更易于推广及使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种自均压五电平电压源型变换装置及控制方法，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
近年来，随着电力电子技术和控制技术的全面发展，电力电子装置已经被广泛使用，人们对电力电子装置的大功率、耐高压、低谐波扰动的要求越来越高。
多电平变换装置具有功率大、开关频率低、输出谐波小、动态响应速度快、电磁兼容性好等优点，并可以使耐压值低的电力电子器件可靠应用于高压大功率领域，并有效地减少脉宽调制简称PWM控制产生的高次谐波。
但是，由于公知的二极管钳位型五电平变换装置的二极管数目较多、电容飞跨型五电平变换装置控制复杂、H桥级联型五电平变换装置需要多个独立的直流源、有源中点钳位型五电平变换器存在串联开关管不均压等五电平变换装置都存在固有缺点，抑制了五电平变换装置在实际中的推广和使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构和控制简单、无需独立直流源、开关器件可自均压的五电平电压源变换装置及控制方法，从而解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自均压五电平电压源型变换装置，它包括：
由三个结构相同的功率模块及三个电容器组成一个桥臂；
所述的功率模块分为功率模块M1、功率模块M2和功率模块M3，并且每个功率模块均有五个电气连接点；
所述的电容器分为电容器C1，电容器C2及电容器C3；
其中，功率模块M1的电气连接点一、五与电容器C1连接，功率模块M2的电气连接点一、五与电容器C2连接，功率模块M1的电气连接点五与功率模块M2的电气连接点一连接，功率模块M3的电气连接点一与功率模块M1的电气连接点三连接，功率模块M3的电气连接点五与功率模块M2的电气连接点三连接，功率模块M1的电气连接点四与功率模块M2的电气连接点二分别连接到电容器C3的两端，功率模块M3的电气连接点三作为变换装置的输出点。
每个功率模块均由功率器件S1、S2、S3、S4，电容器C，电阻R组成；功率器件S1、S2、S3、S4同向依次相连接，进而分出5个电气连接点一、二、三、四、五，电阻R与电气连接点一、五相连，电容C与电气连接点二、四相连。
所述功率器件S1、S2、S3、S4为绝缘栅双极型晶体管、碳化硅器件、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电力晶体管、电力场效应管中的任一种。
所述功率模块M1、功率模块M2内部电容C与电容C3用于均衡功率模块内部开关器件两端电压，不参与变换器电压的输出。
所述功率模块M1内部电阻R具有释放的电容C1电能的作用，功率模块M2内部电阻R具有释放的电容C2电能的作用，功率模块M3内部电阻R具有释放电容C3电能的作用。
功率模块M3内部电阻R具有电压钳位的作用，把功率模块M3内部电气连接点一、五两点的电位钳位到同一个电位点上。
一种自均压五电平电压源型变换装置控制方法，包括以下步骤：
1)功率模块M3内部电容C两端电压的控制方法:
首先检测功率模块M3内部电容C两端的电压和桥臂电流方向，根据检测的电容C两端的电压值和桥臂电流方向选择合适的开关状态，从而达到对电容C进行充电或是放电，以实现对电容C两端的电压值的稳定控制；
2)功率模块M1、功率模块M2内部电容C两端电压的控制方法：
当功率模块M1、M2内部开关器件S1、S2导通时，简化电路后相当于功率模块M1内部的电容C与电容器C3串联后再与电容C1并联，扩大的上母线电容的容量，此时功率模块M1内部的电容C与电容器C3两端的电压之和等于电容C1两端的电压，如果功率模块M1内部的电容C与电容器C3两端的电压相等，则满足功率模块M1内部的电容C两端电压值稳定在电容C1两端的电压的一半的要求；
同理，当功率模块M1、M2内部开关器件S3、S4导通时，简化电路后相当于功率模块M2内部的电容C与电容器C3串联后再与电容C2并联，扩大的上母线电容的容量，此时功率模块M2内部的电容C与电容器C3两端的电压之和等于电容C2两端的电压，如果功率模块M2内部的电容C与电容器C3两端的电压相等，则满足功率模块M2内部的电容C两端电压值稳定在电容C2两端的电压的一半的要求。
三个功率模块M1、M2、M3内部电容C两端电压的控制方法不同，其中，功率模块M1，M2内部电容C两端电压的控制方法相同。
功率模块M1，M2内部电容C及电容C3具有扩大母线电容串支路电容容量的效果。
相比于传统二极管钳位型五电平变换装置及电容飞跨型五电平变换装置具有结构简单的特点，相比于H桥级联型五电平变换装置本发明无需多个独立的直流源，同时电路中不存在开关管的直接串联，由于第一电容串支路不作为换向支路，没有较多的冗余开关状态，控制更为简单，实用性更强，更易于推广及使用。
附图说明
图1是本发明自均压五电平电压源型变换装置的拓扑结构图；
图2是本发明变换装置内部功率模块的拓扑结构图；
图3是本发明实施例一的拓扑结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种自均压五电平电压源型变换装置，它包括：
由三个结构相同的功率模块及三个电容器组成一个桥臂；
所述的功率模块分为功率模块M1、功率模块M2和功率模块M3，并且每个功率模块均有五个电气连接点；
所述的电容器分为电容器C1，电容器C2及电容器C3；
其中，功率模块M1的电气连接点一、五与电容器C1连接，功率模块M2的电气连接点一、五与电容器C2连接，功率模块M1的电气连接点五与功率模块M2的电气连接点一连接，功率模块M3的电气连接点一与功率模块M1的电气连接点三连接，功率模块M3的电气连接点五与功率模块M2的电气连接点三连接，功率模块M1的电气连接点四与功率模块M2的电气连接点二分别连接到电容器C3的两端，功率模块M3的电气连接点三作为变换装置的输出点。
图1至图3中的功率模块的连接点均用***数字1、2、3、4表示，在文字中均采用大写中文的数值一、二、三、四进行表述从而进行区分；图1和图3中标出的1.2.3均为交汇处，在此说明。
图1中电容器C1，C2可以是每个桥臂所独有也可以多个桥臂所共有，电容器C3为每个桥臂所独有。同样结构的三个桥臂可以组成一个三相整流拓扑，可用于整流装置，有源滤波，无功补偿，三相不平衡补偿装置。同样结构的三个桥臂也可以组成一个三相逆变拓扑，可用于光伏逆变器，车载逆变器。同样结构的六个桥臂可以组成三相背靠背拓扑。
如图2：每个功率模块均由功率器件S1、S2、S3、S4，电容器C，电阻R组成；功率器件S1、S2、S3、S4同向依次相连接，进而分出5个电气连接点一、二、三、四、五，电阻R与电气连接点一、五相连，电容C与电气连接点二、四相连。
所述功率器件S1、S2、S3、S4为绝缘栅双极型晶体管、碳化硅器件、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电力晶体管、电力场效应管中的任一种。
所述功率模块M1、M2内部电容C与电容C3用于均衡功率模块内部开关器件两端电压，不参与变换器电压的输出。
所述功率模块M1内部电阻R具有释放的电容C1电能的作用，功率模块M2内部电阻R具有释放的电容C2电能的作用，功率模块M3内部电阻R具有释放电容C3电能的作用。
功率模块内部电阻R的作用是，当设备停机或断电时起到释放内部电容C电能的作用。功率模块M3内部电阻R还具有电压钳位的作用，把功率模块M3内部连接点一、五电位钳位到同一个电位点上。
一种自均压五电平电压源型变换装置控制方法，包括以下步骤：
1)功率模块M3内部电容C两端电压的控制方法:
首先检测功率模块M3内部电容C两端的电压和桥臂电流方向，根据检测的电容C两端的电压值和桥臂电流方向选择合适的开关状态，从而达到对电容C进行充电或是放电，以实现对电容C两端的电压值的稳定控制；
2)功率模块M1、M2内部电容C两端电压的控制方法：
当功率模块M1、M2内部开关器件S1、S2导通时，简化电路后相当于功率模块M1内部的电容C与电容器C3串联后再与电容C1并联，扩大的上母线电容的容量，此时功率模块M1内部的电容C与电容器C3两端的电压之和等于电容C1两端的电压，如果功率模块M1内部的电容C与电容器C3两端的电压相等，则满足功率模块M1内部的电容C两端电压值稳定在电容C1两端的电压的一半的要求；
同理，当功率模块M1、M2内部开关器件S3、S4导通时，简化电路后相当于功率模块M2内部的电容C与电容器C3串联后再与电容C2并联，扩大的上母线电容的容量，此时功率模块M2内部的电容C与电容器C3两端的电压之和等于电容C2两端的电压，如果功率模块M2内部的电容C与电容器C3两端的电压相等，则满足功率模块M2内部的电容C两端电压值稳定在电容C2两端的电压的一半的要求。
其中，三个功率模块M1、M2、M3内部电容C两端电压的控制方法不同，其中，功率模块M1，M2内部电容C两端电压的控制方法相同。
其中，功率模块M1，M2内部电容C及电容C3具有扩大母线电容串支路电容容量的效果。
图3是本发明的实施例一，在实施例一中，图1结构中的功率模块M1，M2的电气连接点二、四及功率模块M1的电气连接点四与功率模块M2的电气连接点二之间分别并联一个由稳压管和电阻组成的稳压支路；
其中，功率模块M1的电气连接点二、四与稳压支路Z1，R1并联，功率模块M2的电气连接点二、四与稳压支路Z3，R3并联，功率模块M1的电气连接点四与功率模块M2的电气连接点二与稳压支路Z2，R2并联。
该实施例的特点是通过稳压管稳压值的设定就可以达到平衡功率模块M1，M2内部电容C及电容C3两端电压的目的，通过辅助稳压电路可以快速实现功率模块M1，M2内部电容C及电容C3两端电压的均衡，使得功率模块M1，M2内部开关器件S1-S2、S3-S4具有良好的动、稳态均压效果。
本实施例中各稳压支路的稳压管可以是单个稳压管，也可以是多个稳压管串联实现或并联实现或串联并联混合实现。
本实施例中的各稳压支路的电阻可以是单个电阻，也可以是多个电阻串联实现或并联实现或串联并联混合实现。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种自均压五电平电压源型变换装置，其特征在于，它包括：
由三个结构相同的功率模块及三个电容器组成一个桥臂；
所述的功率模块分为功率模块M1、功率模块M2和功率模块M3，并且每个功率模块均有五个电气连接点；
所述的电容器分为电容器C1，电容器C2及电容器C3；
其中，功率模块M1的电气连接点一、五与电容器C1连接，功率模块M2的电气连接点一、五与电容器C2连接，功率模块M1的电气连接点五与功率模块M2的电气连接点一连接，功率模块M3的电气连接点一与功率模块M1的电气连接点三连接，功率模块M3的电气连接点五与功率模块M2的电气连接点三连接，功率模块M1的电气连接点四与功率模块M2的电气连接点二分别连接到电容器C3的两端，功率模块M3的电气连接点三作为变换装置的输出点。
2.根据权利要求1所述的一种自均压五电平电压源型变换装置，其特征在于：每个功率模块均由功率器件S1、S2、S3、S4，电容器C，电阻R组成；功率器件S1、S2、S3、S4同向依次相连接，进而分出5个电气连接点一、二、三、四、五，电阻R与电气连接点一、五相连，电容C与电气连接点二、四相连。
3.根据权利要求2所述的一种自均压五电平电压源型变换装置，其特征在于：所述功率器件S1、S2、S3、S4为绝缘栅双极型晶体管、碳化硅器件、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电力晶体管、电力场效应管中的任一种。
4.根据权利要求2所述的一种自均压五电平电压源型变换装置，其特征在于：所述功率模块M1、M2内部电容C与电容C3用于均衡功率模块内部开关器件两端电压，不参与变换器电压的输出。
5.根据权利要求2所述的一种自均压五电平电压源型变换装置，其特征在于：所述功率模块M1内部电阻R具有释放的电容C1电能的作用，功率模块M2内部电阻R具有释放的电容C2电能的作用，功率模块M3内部电阻R具有释放电容C3电能的作用。
6.根据权利要求2所述的变换装置内部功率模块，其特征在于，功率模块M3内部电阻R具有电压钳位的作用，把功率模块M3内部电气连接点一、五两点的电位钳位到同一个电位点上。
7.一种自均压五电平电压源型变换装置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)功率模块M3内部电容C两端电压的控制方法:
首先检测功率模块M3内部电容C两端的电压和桥臂电流方向，根据检测的电容C两端的电压值和桥臂电流方向选择合适的开关状态，从而达到对电容C进行充电或是放电，以实现对电容C两端的电压值的稳定控制；
2)功率模块M1、M2内部电容C两端电压的控制方法：
当功率模块M1、M2内部开关器件S1、S2导通时，简化电路后相当于功率模块M1内部的电容C与电容器C3串联后再与电容C1并联，扩大的上母线电容的容量，此时功率模块M1内部的电容C与电容器C3两端的电压之和等于电容C1两端的电压，如果功率模块M1内部的电容C与电容器C3两端的电压相等，则满足功率模块M1内部的电容C两端电压值稳定在电容C1两端的电压的一半的要求；
同理，当功率模块M1、M2内部开关器件S3、S4导通时，简化电路后相当于功率模块M2内部的电容C与电容器C3串联后再与电容C2并联，扩大的上母线电容的容量，此时功率模块M2内部的电容C与电容器C3两端的电压之和等于电容C2两端的电压，如果功率模块M2内部的电容C与电容器C3两端的电压相等，则满足功率模块M2内部的电容C两端电压值稳定在电容C2两端的电压的一半的要求。
8.根据权利要求7所述的一种自均压五电平电压源型变换装置控制方法，其特征在于，三个功率模块M1、M2、M3内部电容C两端电压的控制方法不同，其中，功率模块M1，M2内部电容C两端电压的控制方法相同。
9.根据权利要求7所述的一种自均压五电平电压源型变换装置控制方法，其特征在于，功率模块M1，M2内部电容C及电容C3具有扩大母线电容串支路电容容量的效果。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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